实验3管路流体阻力的测定

实验三 管路流体阻力的测定
、实验目的
流体流动时的能量损耗(压头损失)，主要由于管路系统中存在着各种阻力。

管路中的各种阻 力可分为沿程阻力(直管阻力)与局部阻力两大类。

本实验的目的,就是以实验方法直接测定摩擦系数 入与局部阻力系数Z 二、实验原理
或乙旦
2
U1
Z 2
P 2 2
U 2 H f
m 液柱(2)
g 2g
g
2g
式中,h f ――单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失,J kg -1;
若:(1)水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体
(2) 试验导管水平装置，则Z i =Z 2；
(3) 试验导管的上下游截面的横截面积相同，则U 1=U 2o 因此(1)与(2)两式分别可简化为：
H f -
-
m 水柱(4)
g
由此可见，因阻力造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统的两截面之间的压力差(压头差) 来测定。

当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失(压头损失),有如下一 般关系式：
J kg -1 (4)
m 水柱⑸
式中;d ――圆形直管的管径，m;l ――圆形直管的长度，m;入一一摩擦系数,［无因次］o
大量实验研究表明，摩擦系数又与流体的密度 P 粘度卩、管径d 、流速u 与管壁粗糙度& 有关。

用因次分析的方法，可以得摩擦系数与雷诺数、管壁相对粗糙度
&d 存在函数关系，即
当不可压缩流体在圆形导管中流动时
，在管路系统内任意二截面之间，机械能衡算方程为：
2 U 1 2
F 2
2 U 2
2 h f
Jkg -1(1)
H f
单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失
，即压头损失,m 液柱。

h f
F P 2
Jkg -1 (3) h f
丄uL d 2g
f Re,—
d
通过实验测得入与Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。

当Re v2000时,摩擦系数入与管壁粗糙度£无关。

当流体在直管中呈湍流时，入不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。

当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门与测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
hf 7J kg-1(8)
或H f 2
u m液柱（9）
2g
式中，u -连接管件直管中流体的平均流速，m・s1；
z―- -局部阻力系数［无因次］。

由于造成局部阻力的原因与条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验
直接测定。

三、实验装置
本实验装置如图1所示，主要就是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统与高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。

压差由一倒置U形水柱压差计显示。

孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显示。

图1管路流体阻力实验装置流程
1、循环水泵;
2、光滑试验管;
3、粗糙试验管;
4、扩大与缩小试验管；
5、孔板流量计;
6、阀门;
7、转换阀组;
8、高
位排气水槽。

试验管路系统就是由五条玻璃直管平行排列,经U 形弯管串联连接而成。

每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门与孔板流量计。

每根试验管测试段长度,即两测压口
距离均为0、6m。

流程图中标出符号G与D分别表示上游测压口(高压侧)与下游测压口(低压侧)。

测压口位置的配置,以保证上游测压口距U 形弯管接口的距离,以及下游测压口距造成局部阻力处的距离,均大于50 倍管径。

作为试验用水,用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统,由下而上依次流经各种流体阻力试验管,最后流入高位排气水槽。

由高位排气水槽溢流出来的水,返回循环水槽。

水在试验管路中的流速,通过调节阀加以调节。

流量由试验管路中的孔板流量计测量,并由压差计显示读数。

四、实验方法
实验前准备工作:
(1) 先将水灌满循环水槽,然后关闭试验导管入口的调节阀,再启动循环水泵。

待泵运转正常后, 先将试验导管中的旋塞阀全部打开,并关闭转换阀组中的全部旋塞,然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。

当水流满整个试验导管,并在高位排气水槽中有溢流水排出时,关闭调节阀,停泵。

(2) 检查循环水槽中的水位,一般需要再补充些水,防止水面低于泵吸入口。

(3) 逐一检查并排除试验导管与联接管线中可能存在的空气泡。

排除空气泡的方法就是,先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开,然后打开倒置U 形水柱压差计顶部的放空阀,直至排尽空气泡再关闭放空阀。

必要时可在流体流动状态下,按上述方法排除空气泡。

(4) 调节倒置U 形压差计的水柱高度。

先将转换阀组上的旋塞全部关闭,然后打开压差计顶部放空阀,再缓慢开启转换阀组中的放空阀,这时压差计中液面徐徐下降。

当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时,关闭转换阀组中的放空阀。

为了便于观察,在临实验前,可由压差计项部的放空处,滴入几滴红墨水,将压差计水柱染红。

(5) 在高位排气水槽中悬挂一支温度计,用以测量水的温度。

(6) 实验前需对孔板流量计进行标定,作出流量标定曲线。

实验操作步骤:
(1) 先检查试验导管中旋塞就是否置于全开位置,其余测压旋塞与试验系统入口调节阀就是否全部关闭。

检查完毕启动循环水泵。

(2) 待泵运转正常后,根据需要缓慢开启调节阀调节流量,流量大小由孔板流量计的压差计显示。

(3) 待流量稳定后,将转换阀组中,与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置,这时测压口与倒置U 形水柱压差计接通,即可记录由压差计显示出压强降。

(4) 当需改换测试部位时,只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。

例如,将G1 与D1 一组旋塞关闭，打开另一组G2与D2旋塞。

这时，压差计与G1与D1测压口断开而与G2与D2 测压口接通,压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。

以此类推。

(5) 改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。

(6) 当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降 为了保持流量不变,需将入口调节阀作相应调节。

(7) 每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。

实验注意事项： (1) 实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。

(2)
若实验装置放置不用时，尤其就是冬季，应将管路系统与水槽内水排放干净。

五、实验数据记录及整理
1、 实验基本参数
试验导管的内径d = 17 mm 试验导管的测试段长度1= 600 mm 粗糙管的粗糙度£=、4 mm 粗糙管的相对粗糙度& /d= 0235 孔板流量计的孔径d o =11 mm 旋塞的孔径d v = mm 2、 流量标定曲线 3、 实验数据
表1孔板流量计的压差计读书记录表
实验序号
1
2 3
4
5
6
7
孔板流量计的压差
计读数,R/mmHg
水流量的计算
2 1
V s C o
d o . 2gR 4
m 3 /s
式中，C o 为孔板系数，一般控制C o 值在0、6~0、7之间;d0为孔板流量计的孔径，mm 。

实验序号 孔板流量计的压差计
读数,R/mmHg 水的流量,Vjm 3s -1 水的流速,u/m s -1 水的温度,T/C 水的密度，p /kgm -3 水的粘度，104卩/P<s 光滑管压头损
4d 2
m/s
表2数据记录表
Re
du
失,H fi/mmH 2O
粗糙管压头损
失,H f2/mmH 2O
旋塞压头损失(全
开)H fi 'mmH 2O
孔板流量计压头损
失,H f2'mmH 2O
计算与
(1)光滑管：p P f gh Pa
l
2
u 八gh
P f—A
d2A (2)粗糙管：p P f gh
l
2
u 典gh
P f A A
d2
(3)孔板流量计:P P f gh
2 u gh
P f B B
2
⑷旋塞：p P f gh
u2
C gh
P f
2C (4)数据整理
表3数据整理表
实验序号12 3 4 水的流速,u/m s-1
雷诺准数，Re/104
光滑管摩擦系数，入
粗糙管摩擦系数，& 孔板流量计局部阻力系
数,Z
旋塞的局部阻力系数(全
开)，Z'
(5)标绘Re—入实验曲线
六、思考题
1、请找出该系统中的局部阻力构件？
2、请说出如何测量孔板流量计、旋塞的局部阻力？
3、从Re—入实验曲线图中可以瞧出Re与入的关系如何?。